Comportement de type ferroélectrique provenant de dipôles à vide d'oxygène dans un film amorphe pour mémoire non volatile

Contexte

La mémoire ferroélectrique à accès aléatoire (FeRAM) basée sur des ferroélectriques pérovskites conventionnels (par exemple, PZT) a été l'une des mémoires non volatiles (NVM) commerciales [1], bien qu'elle ne puisse pas être mise à l'échelle et ne soit pas compatible CMOS. La ferroélectricité a été largement observée dans une variété de matériaux différents, tels que les parois aortiques porcines [2], Sb₂ S₃ nanofils [3], GaFeO₃ film [4], dopé poly-HfO₂ films [5], films d'hydroxyapatite nanocristallins [6] et LaAlO₃ -SrTiO₃ cinéma [7]. Parmi ces matériaux, dopé-HfO₂ Les films ont suscité un intérêt particulier pour l'application NVM en raison de leur compatibilité avec les processus CMOS. Mais la structure polycristalline est inévitable pour générer de la ferroélectricité en HfO dopé₂ , ce qui a amené à surmonter les obstacles suivants pour l'application du dispositif :1) il est incompatible avec le traitement du dernier de grille en ce qui concerne le budget thermique de 500 °C requis pour former des phases cristallines orthorhombiques [8] ; 2) la consommation d'énergie est induite par un courant de fuite indésirable le long des joints de grains, qui augmente de façon exponentielle avec la réduction de l'épaisseur ferroélectrique. Récemment, une étude théorique a proposé que la ferroélectricité supplémentaire dans le poly-HfO₂ épais (>5 nm) peut provenir des corrélations à longue distance dans l'assemblage des dipôles électriques créés par les lacunes d'oxygène [9]. On a observé que le mécanisme de piégeage/dépiégeage de charge de défaut produisait un comportement de type ferroélectrique dans un Al₂ amorphe de 5 nm d'épaisseur O₃ pour une mémoire multi-états, qui souffre cependant d'une très faible fréquence de piégeage/dépiégeage (par exemple, ~500 Hz) [10].

Dans ce travail, un comportement de type ferroélectrique stable est démontré dans un Al₂ amorphe de 3,6 nm d'épaisseur O₃ film, où la polarisation commutable (P ) est proposé d'être induit par les dipôles de lacunes d'oxygène modulés en tension. L'Al₂ amorphe O₃ Le film possède les avantages d'une faible température de processus et d'une fréquence de fonctionnement jusqu'à ~ GHz, qui permettent un transistor à effet de champ non volatil à grilles multiples (NVFET) avec un pas d'ailette à l'échelle nanométrique. Al₂ O₃ Mémoire NVFET avec des tensions de programme/effacement (P/E) de largeur d'impulsion de 100 ns et plus de 10 ⁶ L'endurance des cycles P/E est démontrée. Les effets des électrodes et de l'épaisseur du film sur le P dans Al₂ O₃ les condensateurs sont également étudiés. Les dispositifs non volatils amorphes affichent un avenir prometteur dans les mémoires VLSI.

Méthodes

Al amorphe₂ O₃ les films ont été développés sur des substrats de Si(001), Ge(001) et TaN/Si par dépôt de couche atomique (ALD). TMA et H₂ Les vapeurs d'O ont été utilisées comme précurseurs d'Al et d'O, respectivement. Pendant le dépôt, la température du substrat a été maintenue à 300 °C. Différentes électrodes métalliques supérieures, y compris TaN/Ti, TaN et W, ont été déposées sur Al₂ O₃ surfaces par pulvérisation cathodique réactive. Des condensateurs avec différentes électrodes ont été fabriqués par lithographie et gravure sèche. Un recuit thermique rapide (RTA) à 350 °C pendant 30 s a été réalisé. NVFET avec TaN/Al₂ O₃ La pile de portes ont été fabriquées sur Ge(001). Après la formation de la grille, les régions source/drain (S/D) ont été implantées par BF₂ ⁺ avec une dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 et une énergie de 20 keV, et des électrodes métalliques en nickel S/D de 20 nm d'épaisseur ont ensuite été formées par un processus de décollement. La figure 1a et b montre les schémas de l'Al₂ fabriqué O₃ condensateur et le NVFET à canal p. Il y a une couche interfaciale (IL) entre l'électrode et l'Al₂ O₃ film. Les figures 1c et d montrent les images au microscope électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) du TaN/Al₂ O₃ /Ge s'empile avec différents Al₂ amorphes O₃ épaisseurs (t _AlO ) après un RTA à 350 °C.

Schémas du a fabriqué Al₂ O₃ condensateurs avec diverses électrodes et b Al₂ O₃ NVFET. c et d Images HRTEM du TaN/Al₂ fabriqué O₃ /Ge stacks avec différents t _AlO , montrant l'Al₂ amorphe O₃ films après RTA à 350 °C

Résultats et discussion

La figure 2 montre le P mesuré contre. tension V caractéristiques pour l'Al₂ amorphe O₃ condensateurs avec différents t _AlO et diverses électrodes supérieures et inférieures. La fréquence de mesure est de 1 kHz. Comme le montre la Fig. 2a–c, avec un 3,6 nm fixe de t _AlO , TaN/Al₂ O₃ Le condensateur /Ge atteint une saturation plus élevée P (P _samedi ) par rapport aux appareils avec électrodes supérieures TaN/Ti et W. Le comportement de type ferroélectrique est fortement corrélé avec les interfaces, et il est proposé que la formation de TaAlO_x IL entre TaN et Al₂ O₃ produit plus de lacunes d'oxygène, contribuant à une commutation plus forte P , comparé au TiAlO_x et WAlO_x IL. P-V les courbes de la Fig. 2d indiquent que TaN/Al₂ O₃ Le condensateur /TaN a un P beaucoup plus élevé _samedi en comparaison avec TaN/Al₂ O₃ /Ge, qui est attribué au fait que le double TaAlO_x Les IL fournissent une concentration d'oxygène manquante plus élevée. Tandis que P _samedi est nettement inférieur à celui de l'électrode inférieure en Si (Fig. 2e), par rapport à l'électrode en Ge. Ce résultat indique que Al₂ O₃ La qualité de l'interface /Si est meilleure, c'est-à-dire moins de lacunes d'oxygène, par rapport à celle du dispositif basé sur le substrat Ge. La figure 2f montre le P-V courbes d'un TaN/Al₂ O₃ (6 nm)/condensateur Ge, présentant un V plus élevé _c et un P presque identique _samedi par rapport à celui de l'appareil avec 3,6 nm d'Al₂ O₃ film de la figure 2b. Il est à noter que la raison du P non fermé -V boucles, c'est parce qu'une fuite existe bel et bien. Il a été rapporté que le grand décalage à un champ électrique de zéro se produisait toujours avec un grand champ, et il disparaissait toujours progressivement avec la plus petite plage de balayage de V [11, 12].

P mesuré contre V caractéristiques de l'Al₂ O₃ condensateurs avec différentes électrodes. un , b , et c montrant le P -V courbes de TaN/Ti/Al₂ O₃ /Ge, TaN/Al₂ O₃ /Ge et W/Al₂ O₃ /Ge, respectivement, avec un t de 3,6 nm _AlO . d et e montrant que le P _samedi est amélioré (réduit) en utilisant TaN (Si) comme électrode inférieure au lieu de Ge. f TaN/Al₂ O₃ (6 nm)/le condensateur Ge a un V plus élevé _c et un P similaire _samedi par rapport à l'appareil de 3,6 nm d'épaisseur dans b . g et h Mesures d'endurance ne montrant aucune dégradation de P _r et V _c observé après 10 ⁴ cycles de balayage pour un TaN/Al₂ O₃ (3,6 nm)/condensateur Ge

Les figures 2g et h montrent l'évolution extraite du reliquat positif et négatif P (P _r ) et coercitif V (V _c ) valeurs, respectivement, supérieures à 10 ⁴ cycles de balayage pour un TaN/Al₂ O₃ /Ge condensateur. Aucun effet de réveil, d'empreinte ou de fatigue n'est observé. V _c de l'appareil est d'environ 1,8 V, ce qui indique que le E dans l'Al₂ O₃ le film est de 4 à 6 MV/cm et dans les IL peut dépasser 8 MV/cm, ce qui est suffisamment élevé pour entraîner les lacunes en oxygène [13, 14]. P _samedi des appareils varie de 1 à 5 μC/cm ² , correspondant à une concentration raisonnable en manque d'oxygène dans la plage 3~15×10 ¹² cm ^-2 en supposant qu'ils ont la charge de plus deux.

Le mécanisme sous-jacent du comportement de type ferroélectrique associé aux lacunes d'oxygène dans Al₂ O₃ appareils est discuté. La migration des lacunes d'oxygène induites par la tension a été largement démontrée dans les dispositifs de mémoire vive résistive [15, 16]. La figure 3 montre les schémas du P commutable en TaN/Al₂ O₃ /Ge, qui provient de la ségrégation des lacunes d'oxygène modulées en tension et des charges négatives pour former les dipôles électriques. Il est raisonnable de déduire que les lacunes mobiles en oxygène proviennent principalement de la formation de TaAlO_x IL et sont situés à proximité de l'interface supérieure à l'état initial (Fig. 3a). Les figures 3b et c indiquent comment le P positif et négatif se forment, respectivement, avec la modulation de la lacune d'oxygène et des dipôles de charge négative sous la tension appliquée. Spectres de photoélectrons aux rayons X (XPS) de Al₂ O₃ /Ge et (Ti, TaN et W)/Al₂ O₃ Les échantillons de /Ge sont mesurés et représentés sur la figure 4). Pour tout le métal/Al₂ O₃ /Ge échantillons, il y a un oxyde métallique IL formé entre le métal et Al₂ O₃ , qui sont proposés comme réservoir d'ions oxygène et de lacunes, ce qui est cohérent avec la réf. [17].

Schémas du mécanisme du comportement de type ferroélectrique dans Al₂ O₃ condensateurs. P commutable est due à la migration des lacunes d'oxygène et des charges négatives pour former des dipôles

Spectres XPS de niveau de base de a Al₂ O₃ /Ge, b TaN/Al₂ O₃ /Ge, c Ti/Al₂ O₃ /Ge, et d W/Al₂ O₃ /Ge échantillons

Pour caractériser les performances électriques de l'Al₂ O₃ NVFET comme NVM, l'opération de programme (effacement) est obtenue en appliquant des impulsions de tension positives (négatives) à la porte, pour augmenter (abaisser) sa tension de seuil (V _TH ). La figure 5a montre comment les caractéristiques de transfert de région linéaire de l'Al₂ O₃ Décalage NVFET par rapport au I initial _DS -V _GS courbe mesurée avec des tensions de programme (effacement) ±4 V avec une largeur d'impulsion de 100 ns. Ici, V _TH est défini comme un V _GS à 100 nA⋅W/L, et MW est défini comme la variation maximale de V _TH . L'Al₂ O₃ NVFET obtient un MW de 0,44 V, bien que Al₂ amorphe O₃ le film a un P plus petit _r que le HfO dopé signalé ₂ films [5, 8]. Il est à noter que la fréquence de fonctionnement élevée jusqu'à 10 MHz de Al₂ O₃ Mémoire NVFET, qui indique ce P commutable dans Al₂ O₃ provient de la migration de la lacune d'oxygène entraînée par la tension pour former des dipôles, et non des défauts de piégeage/dépiégeage de charge. Des impulsions de programme et d'effacement alternées ont été appliquées à l'Al₂ O₃ appareils pour approfondir l'étude de l'endurance de l'appareil. La figure 5b montre les tracés de V _TH contre. Nombre de cycles P/E, suggérant qu'un MW stable peut être maintenu sans dégradation significative sur 10 ⁶ Cycles P/E pour un Al₂ de 3,6 nm d'épaisseur O₃ NVFET.

un Mesuré I _DS -V _GS courbes d'un Al₂ de 3,6 nm d'épaisseur O₃ NVFET pour l'état initial et les deux états de polarisation. Un MW de 0,44 V est obtenu. b La mesure d'endurance démontre qu'aucune dégradation du MW n'est observée après 10 ⁶ Cycles P/E

Notamment, le comportement de type ferroélectrique observé dans l'Al₂ amorphe O₃ dispositifs peuvent être étendus aux oxydes amorphes universels, par exemple, l'oxyde d'hafnium (HfO₂ ) et oxyde de zirconium (ZrO₂ ).

Conclusions

Un comportement stable de type ferroélectrique est d'abord réalisé dans des condensateurs avec un Al₂ mince amorphe O₃ isolant. P commutable en Al₂ amorphe O₃ condensateurs est démontré par P-V boucles et test NVFET. Il est proposé que le comportement de type ferroélectrique provienne des lacunes d'oxygène de l'interface et des dipôles d'ions. L'Al₂ de 3,6 nm d'épaisseur O₃ NVFET atteint un MW de 0,44 V et plus de 10 ⁶ endurance de cycle sous ±4 V à 100 ns condition P/E. Dans l'ensemble, ce travail a ouvert un nouveau monde pour les dispositifs ferroélectriques à oxyde amorphe, qui sont prometteurs pour les NVFET multigrilles (en forme d'ailette, de nanofil ou de nanofeuille) avec un pas d'ailette potentiellement nanométrique dans les systèmes VLSI.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

ALD :

Dépôt de couche atomique

BF₂ ⁺ :

Ion fluorure de bore

E _c :

Champ électrique coercitif

Voir :

Germanium

GeO_x :

Oxyde de Germanium

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

Je _DS :

Courant de vidange

MOSFET :

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

MW :

Fenêtre mémoire

Non :

Nickel

NVFET :

Transistor à effet de champ non volatil

P _r :

Polarisation résiduelle

P _samedi :

Polarisation de saturation

RTA :

Recuit thermique remboursé

TaAlO_x :

Oxyde d'aluminium tantale

t _AlO :

Épaisseur d'oxyde d'aluminium

TaN :

Nitrure de tantale

V _GS :

Tension de grille

V _TH :

Tension de seuil

XPS :

Spectres de photoélectrons aux rayons X